半潛式生產(chǎn)平臺整體設(shè)計(jì)與方案優(yōu)化

周 佳， 尉志源， 王 璞

(中船第708研究所 海工部， 上海 200011)

半潛式生產(chǎn)平臺整體設(shè)計(jì)與方案優(yōu)化

周 佳， 尉志源， 王 璞

(中船第708研究所 海工部， 上海 200011)

對一型深水半潛式生產(chǎn)平臺的設(shè)計(jì)開發(fā)過程進(jìn)行介紹，重點(diǎn)關(guān)注主尺度變化對平臺整體運(yùn)動性能的影響。采用優(yōu)化分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對不同輸入?yún)?shù)與輸出變量進(jìn)行相關(guān)性分析，得到影響平臺性能的關(guān)鍵參數(shù)，對半潛式鉆井平臺主尺度進(jìn)行優(yōu)化，使其運(yùn)動性能提升37.6%。關(guān)注結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置變化對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量的影響，以減重為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使下浮體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量降低8%。相關(guān)分析方法和結(jié)論可供海洋工程設(shè)計(jì)人員參考。

半潛式生產(chǎn)平臺；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0 引言

半潛式平臺作業(yè)時(shí)以4個(gè)立柱支持上部平臺，水線面小，受到環(huán)境載荷的影響相對較低，在惡劣海況下運(yùn)動性能較好，并具有甲板面積大、可變載荷大的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為深海石油勘探開發(fā)的主流裝置之一[1]。目前，在海洋油氣生產(chǎn)裝備中，較為常見的有：半潛式平臺(SEMI)、張力腿平臺(TLP)和單柱式平臺(SPAR)。其中，半潛式生產(chǎn)平臺繼承了半潛式平臺運(yùn)動性能好的特點(diǎn)，采用環(huán)形下浮體設(shè)計(jì)，增加了整體結(jié)構(gòu)的剛性，可以充分保證結(jié)構(gòu)安全，廣泛適用于各種不同作業(yè)海域，受各大石油公司青睞，在世界各地均有實(shí)施案例。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)五六十年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)。它以數(shù)學(xué)優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，借助電子計(jì)算機(jī)輔助工具來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的尋優(yōu)搜索。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法解決的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題[2]。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)一型深水半潛式生產(chǎn)平臺，介紹其設(shè)計(jì)研發(fā)過程，并基于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，介紹其思路和主要工作流程。通過分析輸入?yún)?shù)變化對設(shè)計(jì)方案的影響，掌握半潛式生產(chǎn)平臺的核心設(shè)計(jì)變量，進(jìn)而得到該型平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 半潛式生產(chǎn)平臺整體設(shè)計(jì)

圖1 半潛式生產(chǎn)平臺整體設(shè)計(jì)流程示意圖

對于海工裝備的設(shè)計(jì)與開發(fā)，尤其是生產(chǎn)平臺這樣有明確工作目標(biāo)的項(xiàng)目，一般需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐暮Ｓ蛱攸c(diǎn)、環(huán)境條件和生產(chǎn)規(guī)劃確定生產(chǎn)平臺的作業(yè)能力[3]。分析比較不同開發(fā)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，如半潛式平臺(SEMI)、張力腿平臺(TLP)和單柱式平臺(SPAR)等，通過作業(yè)能力、造價(jià)等內(nèi)容的比選或根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，確定其開發(fā)裝置的型式。

確定生產(chǎn)平臺的型式后，即可開展相關(guān)方案設(shè)計(jì)工作，隨著設(shè)計(jì)階段逐步推進(jìn)，方案不斷細(xì)化，直至最終完成設(shè)計(jì)和建造并投入生產(chǎn)實(shí)踐。其中，在設(shè)計(jì)初期確定方案的主尺度，主尺度是否合適，是項(xiàng)目后期是否能夠有效開展的關(guān)鍵。半潛式生產(chǎn)平臺的主尺度規(guī)劃需要考慮運(yùn)動性能、氣隙、穩(wěn)性、排水量、建造適宜性和總體布置等因素。由于半潛式生產(chǎn)平臺主要功能是在深海油田進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，而生產(chǎn)作業(yè)對平臺運(yùn)動性能特別是垂蕩運(yùn)動性能有著苛刻的要求。此外，目標(biāo)平臺還需滿足氣隙、穩(wěn)性、排水量和主尺度等要求。半潛式生產(chǎn)平臺整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

以往的設(shè)計(jì)項(xiàng)目通常根據(jù)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和類似裝備的參數(shù)來參考確定，采用人工篩選的方法，但這種方法計(jì)算組合較少，人為主觀因素明顯，并且效率低，主尺度規(guī)劃結(jié)果有一定局限性。僅就數(shù)個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值分析對比，不僅工作量大，開發(fā)時(shí)間周期長，優(yōu)化設(shè)計(jì)的成效也不明顯。

2 優(yōu)化分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在20世紀(jì)60年代初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)首先被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，后來工程技術(shù)人員又將其拓展到船舶、橋梁、汽車、機(jī)械、水利、建筑等更廣泛的工程領(lǐng)域。近年來，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展、工程結(jié)構(gòu)分析手段的逐步完善以及優(yōu)化方法在工程上的研究和應(yīng)用，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)發(fā)展非常迅速，它在國內(nèi)外科研和生產(chǎn)中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。應(yīng)用實(shí)踐證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)可使工程造價(jià)降低5%～30%，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此得到業(yè)界廣大技術(shù)人員和研究人員的普遍關(guān)注。海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜的過程，由于這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)耗資巨大，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣直接影響其經(jīng)濟(jì)效益，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)也就成為必然要求。

圖2 帕雷托前沿概念圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是指在明確試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的前提下，對投入的試驗(yàn)因素、各因素水平及試驗(yàn)的次數(shù)做具體的設(shè)計(jì)和安排。常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有參數(shù)試驗(yàn)、全因素設(shè)計(jì)、中心復(fù)合設(shè)計(jì)、正交試驗(yàn)、拉丁超立方設(shè)計(jì)和最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)等。通過設(shè)計(jì)問題的參數(shù)化，構(gòu)建離散試驗(yàn)樣本的響應(yīng)面模型(Response Surface Methodology，RSM)，可以幫助設(shè)計(jì)人員識別關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，快速調(diào)整輸入?yún)?shù)，獲得理想的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)響應(yīng)面精度和適應(yīng)性不同，所得結(jié)果可能與實(shí)際情況有一定差距。但在大致趨近最優(yōu)的前提下，再進(jìn)行個(gè)別方案的詳細(xì)分析和計(jì)算，可以大大節(jié)省不同設(shè)計(jì)方案比選的設(shè)計(jì)成本，最終得到可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的評價(jià)指標(biāo)(分目標(biāo))組成時(shí)，就成為多目標(biāo)優(yōu)化問題。多目標(biāo)優(yōu)化的基本特性表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是不可公度性；二是取向矛盾性。多目標(biāo)優(yōu)化問題沒有絕對最優(yōu)解，只有滿意解，或稱最佳均衡解(Best Compromise Solution)。帕雷托解或帕雷托前沿(Pareto Line/Frontier)是在一組權(quán)重定義下解的集合，由這組解作為分界，將設(shè)計(jì)空間分隔為可接受解和不可接受解兩個(gè)區(qū)域，作為兩個(gè)空間的分界線，即稱為帕雷托解。帕雷托前沿概念圖如圖2所示。理論上，帕雷托解都是等價(jià)的，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)選擇上的考量，往往不希望某個(gè)設(shè)計(jì)變量過于極端。因此，在帕雷托前沿上，結(jié)合工程實(shí)際情況，選取的帕雷托解即為多目標(biāo)優(yōu)化問題的優(yōu)化解。

3 半潛式生產(chǎn)平臺方案優(yōu)化

圖3 濕表面模型

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的平臺瞄準(zhǔn)我國南海深水油氣資源開發(fā)裝備的需求，適用于我國南海及世界其他中等海況深水海域作業(yè)。目標(biāo)平臺主尺度優(yōu)化分析中以垂蕩運(yùn)動最小為優(yōu)化目標(biāo)。此外，目標(biāo)平臺還需滿足氣隙、穩(wěn)性、排水量、主尺度等要求，將其作為優(yōu)化分析的約束條件加以考慮[4]。平臺濕表面模型如圖3所示。

優(yōu)化采用Noesis 公司Optimus軟件作為優(yōu)化分析平臺，平臺運(yùn)動和氣隙計(jì)算采用DNV-GL公司的SESAM軟件，優(yōu)化工作流示意如圖4所示。算法采用非受控排序多目標(biāo)遺傳算法(NSEA+)。對目標(biāo)平臺下浮體長度、寬度、高度、立柱高度和平臺吃水在10 m左右的幅度內(nèi)，分別以0.5～1 m為步長進(jìn)行樣本搜索。試算的樣本總數(shù)約1 200個(gè)，通過數(shù)值分析，滿足約束的樣本數(shù)為142個(gè)，樣本滿足率為11.8%。經(jīng)結(jié)果比較，滿足約束的平臺設(shè)計(jì)方案中，垂蕩運(yùn)動最小幅值為1.888 m，最大幅值2.598 m，優(yōu)化幅度達(dá)37.6%，優(yōu)化結(jié)果比較理想。優(yōu)化分析結(jié)果對目標(biāo)平臺主尺度的確定有重要指導(dǎo)意義。

通過對樣本點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立響應(yīng)面模型，分析響應(yīng)面輸入?yún)?shù)與平臺性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。經(jīng)分析，平臺吃水大小對垂蕩運(yùn)動影響度最高(負(fù)相關(guān))，同時(shí)立柱高度設(shè)置對平臺氣隙影響最大(正相關(guān))。圖5是下浮體高度對氣隙和吃水的響應(yīng)面示意圖，可直觀看出該響應(yīng)面為空間曲面，對于相互矛盾的參數(shù)選擇，存在相對理想解。

圖4 優(yōu)化工作流示意圖

圖5 下浮體高度對氣隙和吃水的響應(yīng)面

經(jīng)分析比較，選擇的方案參數(shù)在樣本散點(diǎn)圖中的位置如圖6所示，該方案比較接近帕雷托前沿，是所有樣本中較優(yōu)的方案。

圖6 目標(biāo)平臺主尺度在樣本中的位置

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減重

半潛式生產(chǎn)平臺下浮體結(jié)構(gòu)因其常年位于水下，設(shè)計(jì)中主要由透氣管高度和規(guī)范公式?jīng)Q定其設(shè)計(jì)是否滿足要求，相對立柱和上部模塊結(jié)構(gòu)來說，平臺下浮體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受總強(qiáng)度載荷影響不大。因此，將下浮體結(jié)構(gòu)布置參數(shù)，如艙壁位置、甲板/艙壁板厚、骨材規(guī)格和間距、桁材規(guī)格和間距等共39個(gè)設(shè)計(jì)變量作為設(shè)計(jì)輸入，對應(yīng)規(guī)范公式要求，共有29個(gè)判斷條件。在Optimus軟件平臺中建立優(yōu)化工作流，如圖7所示，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化分析。因涉及變量眾多，參數(shù)離散度較高，分析效率不高，經(jīng)270代模擬，對骨材間距和桁材跨距的取值進(jìn)行了改進(jìn)。優(yōu)化方案較原設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)重量減小了近400 t，約占下浮體結(jié)構(gòu)總重的8%，可以認(rèn)為優(yōu)化方案有明顯改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)。

圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化工作流

經(jīng)分析輸入?yún)?shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在工程可接受的范圍內(nèi)，骨材間距和桁材跨距的減小可有效降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量。此外，今后通過建立骨材、桁材等型材數(shù)據(jù)庫，可合并部分輸入變量，有望縮短搜索時(shí)間，大大提高優(yōu)化效率。

5 結(jié)語

通過對深水半潛式生產(chǎn)平臺開發(fā)的研究工作，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，研究了不同主尺度參數(shù)對平臺性能的影響，對比多組不同設(shè)計(jì)方案，得到較為理想的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，提升平臺氣隙，平臺整體運(yùn)動性能較原方案優(yōu)化37.6%。對下浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)重量較原設(shè)計(jì)方案減小了近400 t。

設(shè)計(jì)中所采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和相關(guān)優(yōu)化結(jié)論可供海洋平臺設(shè)計(jì)者參考。同時(shí)，通過分析討論提出了后續(xù)提高優(yōu)化效率的工作方向。今后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法的進(jìn)步和發(fā)展，更多的優(yōu)化算法可以在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用，從而提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)和開發(fā)成本。

[1] 劉華祥,王璞，梁創(chuàng)，等.半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡述[J].中國海洋平臺,2011(5)：1-5.

[2] 白艷彬,劉俊，薛鴻祥，等.深水半潛式鉆井平臺總體強(qiáng)度分析[J].中國海洋平臺,2010(2)：22-27.

[3] ABS.Floating Production Installations[S]. 2012.

[4] 陳新權(quán).深海半潛式平臺初步設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵問題研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

Semi-submersible Production Unit Design and Optimization

ZHOU Jia, WEI Zhiyuan, WANG Pu

(Marine Engineering Department， 708 Research Institute, Shanghai 200011,China)

An Semi-submersible unit (SEMI) design procedure is introduced. Focus on the impact of main dimensions changes on the overall performance of the platform.The main dimensions of the SEMI is checked by optimization concepts and methods. The key design input parameters have been got. And an improvement design concept was given. To minimize the steel weight and enlarge the variable load, the structure scantlings are optimized to be lightened. The typical scantling is reduced about 8% structural weight of the pontoon after the optimization. Then the optimization strategies and results would be useful for the offshore engineers.

semi-submersible production unit； design； optimization

2016-05-20

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“深海半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”工信部聯(lián)裝[2012]534號資助

周 佳(1981-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)01-0021-05

P75

A